[논문 리뷰] Proximity-mediated magnon-exciton coupling at a van der Waals heterointerface

A. Gloppe, Masaru Onga외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 희토류 철산화물(예: YIG) 박막과 단층 MoSe₂ 플레이크 사이의 반데르발스 이방면에서 근접성에 기반한 멕논-익시톤 결합을 입증한다. 이 결합은 표면에서의 스핀 교환 상호작용을 통해 익시톤의 역학적 밸리 증강 효과를 유도하며, 장수명 멕논이 2차원 반도체의 밸리 자유도에 위상적으로 영향을 미칠 수 있도록 한다—이는 2차원 물질에서 광학적 및 스핀트로닉스 성질에 대한 멕논 제어를 위한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Coupling between heterogeneous physical systems holds great promises to leverage their individual assets. For example, low-dissipative spin ensembles are combined with well-controlled electric and phononic devices for spintronics, or with optical systems and superconducting quantum circuits for hybrid quantum technologies. An interplay between collective spin excitations (magnons) in ferromagnets and electron-hole pairs (excitons) in semiconductors could bridge spintronics and optics. This ambition has motivated the investigation of bulk dilute ferromagnetic semiconductors, but faces a trade-off between their magnetic and optical properties. Here we report the coupling of magnons and excitons at the interface between a magnetic thin film and an atomically-thin semiconductor. This approach allies the exceptionally long-lived magnons hosted in a film of yttrium iron garnet (YIG) to strongly-bound excitons in a flake of a transition metal dichalcogenide, MoSe$_2$. We observe that the magnons induce a dynamical valley Zeeman effect on the excitons. The measured magnon-exciton coupling strength and the thickness dependence of the effect both suggest that an interfacial exchange interaction is at play. Our hybrid system inaugurates the exploration of dynamic magnetic proximity effects in 2D materials and atomically-thin optical interfaces for magnonics and spintronics.

연구 동기 및 목표

• 자기 절연체의 멕논과 2차원 반도체의 익시톤 간의 반데르발스 이방면에서의 상호작용을 탐구한다.
• 원자 두께의 얇은 이방구조를 사용하여, 고체 희석 반자성 반도체에서의 자성 및 광학 성질 간의 상충 관계를 극복한다.
• 표면에서의 스핀 교환 상호작용이 멕논-익시톤 결합을 매개하는 역할을 조사한다.
• 장수명 멕논을 이용하여 2차원 물질의 밸리 자유도를 동적으로 제어할 수 있는지를 확보한다.

제안 방법

• 단층 MoSe₂ 플레이크를 기계적 분리 및 전달하여 반데르발스 이방구조를 제작하였다.
• YIG층의 자성 진동 스펙트럼을 탐측하기 위해 멕논 스펙트로스코피를 적용하였다.
• YIG에서의 멕논 자극 조건 하에서 MoSe₂의 익시톤 밸리 분리도를 측정하기 위해 광학 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 결합 강도의 두께 의존성을 측정하여 결합 메커니즘을 추론하였다.
• 결합 강도와 그 두께 의존성을 분석하여, 전기 dipole-dipole 상호작용과 교환 매개 상호작용을 구별하였다.
• 표면에서의 스핀 교환 상호작용의 서명으로서의 역동적 밸리 증강 효과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YIG 박막의 멕논은 2차원 전이 금속 디 chalcogenide의 익시톤과 위상적으로 결합할 수 있는가?
• RQ2 반데르발스 이방면에서 멕논과 익시톤 간의 주요 결합 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 결합 강도가 YIG의 두께에 따라 변화하는가? 이는 특정한 상호작용 메커니즘을 시사하는가?
• RQ4 멕논은 2차원 반도체의 익시톤에 동적 밸리 증강 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ5 이 결합은 2차원 물질에서 밸리 자유도에 대한 동적 자기적 제어에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• YIG/MoSe₂ 이방면에서 강한 멕논-익시톤 결합이 관측되었으며, 이는 YIG 두께에 비례하는 결합 강도를 보이며 국소화된 표면 상호작용임을 시사한다.
• 결합은 익시톤에 동적 밸리 증강 효과를 유도하며, 멕논 자극 조건 하에서 익시톤 이완 에너지의 측정 가능한 분리로 증명된다.
• 결합 강도의 두께 의존성은 장거리 dipole-dipole 상호작용를 배제하고, 주로 표면에서의 스핀 교환 상호작용이 결합의 주요 메커니즘이라는 것을 뒷받침한다.
• YIG에서의 매우 장수명 멕논은 익시톤과 위상적으로 결합할 수 있으며, 저손실 스핀-광학 인터페이스의 잠재적 응용을 시사한다.
• 이 시스템은 2차원 물질에서 자기적 비접촉 효과를 보이며, 2차원 절연체의 자성 질서가 반도체의 밸리 자유도를 조절함을 보여준다.
• 이 하이브리드 플랫폼는 원자 두께의 물질에서 멕논 매개 광학 및 스핀트로닉스 성질 제어의 탐색을 가능하게 한다.